基于二维材料的近完美吸收器设计及其调控方法研究

摘要

最近10年，与新型二维材料领域相关的研究工作引起了广大科研工作者的极大关注。这是因为二维材料具有非常优异的物理化学性质，如高的电子迁移率、高耐热性、良好的高温稳定性以及化学性质稳定等等。目前，人们关注最多的二维材料有石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物以及黑磷等等。相比于传统的吸收器，使用二维材料可以设计出双波段、宽带、超薄以及可调的完美吸收器。本文主要从理论上研究了几款基于二维材料的完美吸收器，并得到了一些很有意义的结果。
　　本论文的主要工作可以简单的概括为以下四个部分：
　　1．基于氮化硼晶体的中红外吸收器：此部分主要使用氮化硼晶体取代传统的薄膜吸收层，可以实现中红外波段的全吸收。首先，氮化硼是一种新型的二维材料，表现出许多优异的物理和化学特性。更重要的是，在中红外波段，氮化硼具有各向异性双曲特性，表现为它的介电常数张量中的其中一个分量与另外两个分量异号。优异的物理特性，为我们使用氮化硼晶体来取代传统吸收层设计临界耦合谐振器提供了可能。研究发现，我们不仅可以实现在中红外波段的全吸收现象，而且还可以通过改变入射角、氮化硼厚度和中间隔离层来调控全吸收的产生。接着，我们从相干全吸收的原理出发，分析了临界耦合产生的物理机制。最后，我们还讨论了基于氮化硼晶体的相干全吸收现象，与一般吸收器实现全吸收条件不同的是，不需要满足反射率和透射率都等于零，只要满足两相干入射光的振幅相等且初始相位差为0°，就能实现相干全吸收现象。
　　2．基于石墨烯/氮化硼超晶的可调中红外吸收器：此部分主要是通过设计基于石墨烯/氮化硼超晶的吸收器来实现对全吸收的动态调控。石墨烯，由于其优异的物理性能，特别是电控性，常常被用来调控某些物理现象的产生；氮化硼，可以作为构成石墨烯/氮化硼异质结的优良衬底。因此，当我们使用石墨烯和氮化硼来构成石墨烯/氮化硼超晶时，超晶将同时表现出可调和双曲特性，超晶的等效介电常数可以用等效介质理论来描述。通过推导结构的反射和吸收，我们得到了实现完美吸收的条件。对于 TM波，全吸收可以在两个不同的波数和入射角实现；而对于TE波，由于超晶的介电常数虚部不等于零，因此只能实现近完美吸收。但是，不管是对于TM波还是TE波，通过加入静态偏压，改变石墨烯化学势，都可以实现对全吸收的动态调控。
　　3．基于 FP共振及表面声子极化的双波段吸收器：此部分的主要工作是通过设计简单的氮化硼/介质/氮化硼三层结构来实现双波段的近完美吸收。在设计完美吸收器时，往往设计的结构过于复杂或者是制造工艺相对困难，因此设计一些简单而且易于制造的完美吸收器变得尤为重要。本章节中，我们设计了简单的三层氮化硼/介质/氮化硼结构来研究全吸收的产生。研究表明，对于TE波，由于中间层结构的法布里珀罗（FP）共振以及氮化硼的表面声子极化作用，可以实现在两个不同波段的近完美吸收。这两种机制对于顶层氮化硼和中间介质层厚度的变化非常敏感。氮化硼的表面声子极化与氮化硼厚度相关，随着厚度的增加而增强；结构的FP共振也同时受到氮化硼厚度和中间层厚度的影响。当我们选择合适的中间层和氮化硼厚度时，FP共振和表面声子极化都会存在，且它们之间能互相耦合来影响结构的反射。
　　4.超薄和宽带的完美吸收体：此部分的两个工作分别是设计超薄的吸收体以及宽带的吸收体。在以往设计完美吸收体时，往往需要吸收体材料足够厚或者是吸收体材料本身具有高的损耗。很厚的完美吸收体结构不适合应用的需要而且高损耗的吸收体材料也不易寻找，因此，很有趣的工作是如何设计出超薄的吸收体结构。本章中，我们利用氮化硼的近零介电常数特性来设计吸收体结构，结构可以做的很薄而且吸收体材料本身损耗不是很高，设计的结构厚度可以为波长的千分之一。本章节的另一份工作是设计宽带的吸收体。我们利用BN的高折射率特性设计了单层 BF11-SiO2-Graphene/BN/Graphene-SiO2-BF11单元结构。当结构对称时，即两边 SiO2厚度相等，优化结构的参数，可以实现全透射现象，而我们改变结构的对称性，则可以实现全吸收现象。因此，通过改变两边 SiO2的厚度，可以实现由全透射现象到全吸收现象的切换。我们还发现，采用级联的方式，增加单元结构的层数，可以实现宽带的全吸收。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 几种典型的二维材料

1.3 吸波材料

1.4 本文的主要研究工作与内容安排

第2章 基本理论和方法

2.1 引言

2.2 基本理论

2.3 基本方法

2.4 本章小结

第3章 基于氮化硼晶体的中红外吸收器

3.1 引言

3.2 临界耦合谐振器

3.3 基于氮化硼晶体的相干全吸收设计

3.4 本章小结

第4章 基于石墨烯/氮化硼超晶的可调中红外吸收器

4.1 引言

4.2 石墨烯/氮化硼超晶吸收器

4.3 本章小结

第5章 基于FP共振及表面声子极化的双波段吸收器

5.1 引言

5.2 氮化硼/介质/氮化硼中红外吸收器

5.3 本章小结

第6章 超薄和宽带完美吸收器

6.1 引言

6.2 超薄的完美吸收体设计

6.3 宽带的吸收体设计

6.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间所参加的科研项目